Принцип Ауфбау и принцип исключения Паулиса

Aufbau — это немецкое слово, означающее «создание», и это не имя ученого, в отличие от многих других принципов химии. Этот принцип в основном касается заполнения электронами орбитали во время записи электронной конфигурации.

«Создание», как следует из названия, относится к заполнению орбиталей электронами, чтобы построить электронную конфигурацию определенным образом, так что орбиталь с более низкой энергией заполняется раньше, а орбиталь с более высокой энергией — позже.

Другими словами, «В основном состоянии атомов орбитали заполнены в порядке возрастания их энергий», то есть электрон первоначально будет занимать орбиталь более низкого энергетического уровня, а когда будут заняты орбитали более низкого энергетического уровня, тогда только они должен начать занимать орбитали более высокого энергетического уровня.

Основные черты принципа Ауфбау

Энергия орбитали определяется правилом (n + l), где n обозначает главное квантовое число, а l обозначает азимутальное квантовое число. Чем меньше значение (n + l) для орбитали, тем меньше будет ее энергия. И, если две орбитали имеют одинаковое значение для (n + l), то одна с более высоким значением n будет иметь более высокую энергию.

Во время заполнения электронами орбиталей для завершения электронной конфигурации электроны сначала займут орбитали с более низкой энергией; только после того, как будут заняты орбитали с более низкой энергией, электроны займут орбитали с более высокой энергией.

 В табличной форме расположение орбиталей с возрастающими энергиями по правилу (n + l) можно представить следующим образом:

Примечание: значения азимутальных квантовых чисел следующие: s = 0, p = 1, d = 2, f = 3.

Электронное конфигурирование с использованием принципа Ауфбау

Согласно правилу Ауфбау:

Первые электроны заполняются на орбитали в 1 с. Поскольку каждая орбиталь может вместить максимум только 2 электрона, поэтому 1-я орбиталь содержит 2 электрона. Затем заполняется 2-х секундная орбиталь, поскольку это та, которая идет после 1 с точки зрения уровня энергии. Это также может вместить 2 электрона. Затем электроны заполняются атомными орбиталями 2p: 2px, которые могут вмещать 2 электрона, 2py, которые могут вмещать 2 электрона, и 2pz, которые могут вмещать 2 электрона. Поскольку px, py и pz — вырожденные орбитали, их уровни энергии также совпадают. Итак, электроны могут занимать любую из 3-х в любом порядке. Таким образом, 2p может вместить всего 6 электронов. Затем электроны заполняются на 3s-орбитали, которая может вместить в общей сложности 2 электрона, с последующим заполнением 3p-орбиталей, аналогичных 2p-орбиталям, и так далее.

Заполнение орбиталей происходит по правилу Ауфбау / принципу Ауфбау. Однако расположение, порядок заполнения электронами в соответствии с их спином при заполнении вырожденных орбиталей и спин двух электронов, заполненных на одной и той же орбитали, далее в основном регулируются правилом Хунда и принципом исключения Паули. 

Написание электронной конфигурации серы

Сера имеет атомный номер 16, то есть в атоме 16 электронов. Как указано выше, первые 2 электрона будут заняты орбиталью 1s. Следующие 2 будут заняты орбиталью 2s. Следующие 6 электронов будут заняты 2p-орбиталями. Следующие 2 электрона будут заняты 3s-орбиталью, а остальные 4 последних электрона будут заняты 3p-орбиталями. Итак, из 16 электронов, всего 10 электронов лежат в 1-й и 2-й оболочках, т.е. n = 1 и n = 2, а последние 6 электронов лежат в 3-й оболочке, т.е. n = 3. Итак, валентная оболочка является третьей оболочкой, а общее количество валентных электронов в сере составляет 6 (2 электрона в 3s и 4 электрона в 3p). Мы заполнили электроны по принципу Ауфбау и использовали рисунок 1. 

Электронная конфигурация записывается следующим образом:

S = 16; Электронная конфигурация согласно правилу Aufbau: 1s ² , 2s ² , 2p ⁶ , 3s ² , 3p ⁴ .

Написание электронной конфигурации азота

Электронная конфигурация азота записывается аналогичным образом, как и конфигурация серы. Азот имеет атомный номер 7, то есть в нем всего 7 электронов. Первые два электрона заняты 1s-орбиталью. Следующие 2 электрона лежат на 2s-орбитали, а последние 3 электрона — на 2p-орбиталях. 

Следовательно, первая оболочка имеет 2 электрона, а вторая оболочка — 5 электронов. Итак, валентная оболочка — это вторая оболочка, т.е. n = 2, а количество валентных электронов равно 5 (2 электрона в 2s и 3 электрона в 2p).

Электронная конфигурация записывается следующим образом:

N = 7; Электронная конфигурация согласно правилу Aufbau: 1s ² , 2s ² , 2p ³ .

Несмотря на то, что большинство электронных конфигураций следует вышеуказанному порядку, как указано в принципе Aufbau, есть определенные исключения. Исключениями являются некоторые элементы с атомным номером больше 20, такие как Cu (медь, атомный номер = 29), Cr (хром, атомный номер = 24, Mo (молибден, атомный номер = 42) и т. Д.). потому что полностью заполненные или наполовину заполненные атомные орбитали более стабильны, чем любая из частично заполненных атомных орбиталей из-за симметрии и выделения обменной энергии.